DE1473249C - Infrarotstrahlungsdetektor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für eines Verschlusses bzw. eines optischen Umschalters die Messung von Strahlungsdichte, insbesondere im wird durch die Einfachhheit und Sicherheit der elek-Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis zum fernen Ironischen Verarbeitung des Signals mehr als aus-Ultrarot, zur Erzeugung eines Signals, dessen Mittel- geglichen. .■··..·:■

wert der zu messenden Größe proportional ist, mit 5 Es ist hervorzuheben, daß das Wechselspannungseiner Thermosäule aus Thermoelementen, deren Ver- signal nicht etwa auf dem üblichen Weg des Zerhackens bindungssteilen abwechselnd und symmetrisch beider- gebildet ist. Die Strahlung fällt vielmehr ständig auf seits einer Mittellinie in zwei Halbflächen angeordnet den Detektor, dessen beide Halbflächen gleich aufsind, wobei die Thermoelemente aus auf eine frei gebaut sind und abwechselnd der Strahlung ausgesetzt tragende Isolierfolie aufgedampften oder aufgestäub- io werden. Jede Halbfläche spielt dabei abwechselnd die ten, sich überlappenden, mäanderförmigen Metall- Rolle der heißen bzw. der kalten Verbindungsstellen, schichten bestehen. Im Gegensatz zu bekannten Pyrometern mit Thermo-

Bekanntlich verlieren die Strahlungsdetektoren, die elementen, bei welchen die einfallende Strahlung auf dem photoelektrischen Effekt oder der Lumi- periodisch zerhackt wird, um ein Wechselspannungsneszenz beruhen, ihre Empfindlichkeit im Infrarot- 15 signal ohne Vorzeichenänderung zu erhalten, handelt bereich bei Wellenlängen über 7 μ. praktisch voll- es sich beim erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor ständig. In der Praxis sind sie in dem jenseits liegen- um einen echten Belichtungswechsel mit Vorzeichenden Spektralbereich nicht mehr verwendbar. .....·...:■ änderung, wobei die Strahlung erst auf die eine und

Die großen Wellenlängen sind jedoch zur Fest- dann auf die andere Gruppe von Verbindungsstellen «. Stellung von Quellen mit geringer Temperatur von ao fällt. Stets wird jedoch eine Hälfte des Detektors Interesse, weshalb man nichtselektive Detektoren zu bestrahlt. .

verwenden sucht, deren Empfindlichkeit in einem aus- Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

reichend breiten Band des Spektrums konstant bleibt, Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigt y beispielsweise thermische Detektoren, die auf der Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht und eine

Umwandlung der Infrarotstrahlungsenergie in Wärme- 95 Profilansicht einer ersten Ausführungsform des erfinenergie beruhen und von denen die auf diesem dungsgemäßen Detektors,;..,,..,,;„; ■, Gebiet der Technik am weitesten verbreiteten die F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie B-B und

Thermobatterieri und die Bolometer sind. einen Längsschnitt nach der Linie/1-Λ durch einen

Da die Bolometer im allgemeinen in einer Brücken- einen solchen Detektor enthaltenden Kolben, schaltung verwendet werden, ist die Empfindlichkeit 30 Fi g. 3 den bestrahlten Teil des Detektors, . der Messung direkt dem Strom proportional, der . F i g. 4 das Schema einer zweiten Ausführungsform durch den Widerstand fließt, der sich in Abhängigkeit" des Detektors, bei welcher mit einem modulierten von der Strahlung ändert, welcher er ausgesetzt ist.■. Strom gearbeitet: wird,.,...;,...-,. i :r Da es praktisch unmöglich ist, diesen Strom über Fig. 5 das entsprechende elektrische Signal und

einige Milliampere hinaus zu erhöhen, ohne eine 35 F i g. 6 den Gesamtaufbau eines solchen Detektors. Erwärmung des Widerstands hervorzurufen, hängt Fig. 1 zeigt einen isolierenden Träger 10, der

die mit diesen Geräten erreichbare Empfindlichkeit beispielsweise aus einer PETP-Fplie von 1 μ Dicke' ; vor allen Dingen vom Temperaturkoeffizient des ver- besteht, die zwischen zwei Isolierstäben 11 und 12 wendeten Widerstands ab. ' ausgespannt ist. Auf diesem Träger ist, vorzugsweise

Dagegen erfolgt die Messung der an den Klemmen 40 durch Aufdampfen imVakuum oder durch kathoeiner Thermobatterie. erzeugten elektromotorischen dische Zerstäubung entsprechend dem dargestellten Kraft meistens nach einer Nullpotentiometermethode; ^! Verlauf eine dünne Schicht m' der Größenordnung und die Empfindlichkeit kann dadurch verbessert von 0,05 bis 0,1 μ aus zwei Legierungen 13 und 14 werden, daß die Zahl ^ier in Serie geschalteten aufgebracht, die zusammen Thermoelemente mit Thermoelemente vergrößert wird, ohne daß die 45 hoherir thermoelektrischem Potential bilden. Diese Widerstandsänderung des Detektors von Einfluß auf ^ beiden Legierungen überdecken sich teilweise so, daß die Genauigkeit der Potentiometermessung ist. zu beiden Seiten einer die Oberfläche des Detektors

Es ist ein Strahlungsdetektor der eingangs ge- in zwei gleiche Teile teilenden Mittellinie die kalten nannten Art bekannt» bei welchem die warmen Ver-;, ·ΐ Verbindungsstellen-15 und (die1 warmen Verbindungsbindungsstellen von den kalten Verbindungsstellen 50 stellen 16 der in Serie geschalteten Thermoelemente durch Strahlungsabsorbierende bzw. strahlungsreflek- gebildet werden, welche in der oberen Hälfte bzw. in tierende Überzüge unterschieden sind. Dieser bekannte der unteren Hälfte zusammengefaßt sind. Die Stange X- Γ Strahlungsdetektor liefert ein Gleichspannungssignal," 12 ist an ihren Enden mit einem Goldfilm überzogen, welches sich infolge; der; geringen· Amplituden;nur^ ' welcher die Ausgangsklemmen 17,18 des Detektors schwierigverarbeitenläßt/ , : O 55 bildet. Die obere Hälftei des/Trägers 10, welche die

Erfindungsgemäß ivird diesbr bekannte Strahlüngs- kalten Verbindungsstellen 15 enthält und die die detektor dadurch verbessert; daß die gesamte Fläche warmen Verbindungsstellen 16 trägende untere Hälfte . des Detektors mit einer Schicht aus. einem Werkstoff auf der bestrahlten Seite sind mit einer dünnen mit hohem Absorptionskoeffizienten überzogen\ ist Schicht 1? bzw. 20 aus einer Substanz mit großem und jede, der Halbflächen beiderseits der Mittellinie 60 Absorptionskoeffizient für die Strahlung bedeckt, nach dem an sich bekannten Wechsellichtyerfahren beispielsweise Platinschwarz oder Goldschwarz, mittels eines Verschlusses oder eines Umschalters Die Strahlung wird durch entsprechende optische

gegenüber der einfallenden Strahlung periodisch ab- Einrichtungen auf die rechteckige Fläche 25 (Fi g. 3 a) deckbar bzw. freilegbar ist, so daß der Detektor eine bzw. kreisrunde Fläche 26 (F i g. 3 b) des isolierenden Wechselspannung liefert. _: 65 Trägers 10 konzentriert, in deren Innerem die

' ' Das erfindungsgemäß erzielte Wechselspannungs- Thermobatterie enthalten ist. Ein kleines Dunkelsignal ist wesentlich einfacher zu verarbeiten als die Intervall 27 trennt die beiden Zonen mit unterschiedbekannten Gleichspannungssignale. Die Verwendung liehen Absorptionskoeffizienten. Dieses Intervall wird

Claims (5)

mit Hilfe eines Schirms 21 erhalten, der die auftref-.. fende Strahlung in einem Bereich von 1 bis 2 mm Breite abfängt. Der Detektor kann im freien Raum arbeiten, aber zum Schutz der verschiedenen Aufträge gegen Oxydation wird der Detektor vorzugsweise in einem dichten Kolben untergebracht, wie in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Die Stangen 11,12 werden in dem Metallkolben 22 von zylindrischer Form befestigt, der ein Fenster 23 enthält, das für die Infrarot- ίο strahlung in dem interessierenden Bereich durchlässig ist, und der mit einem inerten Gas unter geringem Druck gefüllt ist. Kühlflügel 24 sind so angebracht, daß die vom Detektor aufgenommene sowie die vom Gas absorbierte Wärme abgeführt wird, wodurch eine kleine Ansprechzeit gewährleistet ist. Zur leichteren Verstärkung des. Signals und zur Vereinfachung der Meß- oder Verbrauchergeräte ist es erwünscht, ein Signal in Form einer Wechselspannung zu erhalten. Da es durch einfache Modulation des auftreffenden Strahlungsstroms nicht möglich v\· ist, eine periodische Änderung des Vorzeichens der ψ ... vom Detektor abgegebenen elektromotorischen Kraft , i zu erzielen, sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Detektors Maßnahmen vorgesehen, welche diese Betriebsart ermöglichen: Zu diesem Zweck ist der Detektor auf den beiden die warmen bzw. die kalten Verbindungsstellen enthaltenden Hälften vollständig mit Platirischwarz oder Goldschwarz bedeckt, und der auf die geschwärzte Seite des Detektors treffende Strahlungsstrom wird periodisch derart unterbrochen, daß abwechselnd die eine und die andere Hälfte des Detektors der Strahlung ausgesetzt werden. ■"'·.■·'·'.'"'.■·■ In F i g. 4 ist schematisch der Detektor auf seinem Träger 10 dargestellt, der von einem ankommenden Strahl über eine Linse 30 bestrahlt wird, welche für -.· Infrarotstrahlung durchlässig ist. Dieser Strahl wird durch einen Verschluß moduliert, der durch einen Flügel 31 gebildet wird, welcher von einem Antriebsorgan 32 um eine senkrecht zur optischen Achse der Anordnung liegende Achse in Drehung versetzt wird. .· ... Die Länge dieses Flügels ist. so groß bemessen, daß |l) die öffnurigs- und Unterbrechungszeiten einer Hälfte des Strahls vernachlässigbar gegen die Zeitdauer der 45: Bestrahlung bzw. der Abdeckung jeder der Hälften des Detektors sind. Somit wird jede dieser Hälften des Detektors abwechselnd abgedeckt und der Strahlung ausgesetzt; dies erfolgt mit einer Frequenz, weiche der Drehzahl des Flügels 3l· entspricht. >>-;.,. 50.; . Die Anordnung arbeitet dann in folgender Weise: ^ Während einer halben Periode der Drehung' des : Flügels ist die der Strahlung ausgesetzte Hälfte des Detektors »warm«, während die abgedeckte Hälfte »kalt« ist; während der folgenden halben Periode sind die Verhältnisse umgekehrt. Dies ergibt einen :.' periodischen Wechsel der Polarität der■ ; Thermo- , batterie und dementsprechend die Erzeugung einer Wechselspannung an ihren Klemmen." Die Anordnung arbeitet im dynamischen Betrieb, und wenn die Zeitkonstante des Detektors kleiner als die Dauer der ; Bestrahlung einer Hälfte seiner Oberfläche ist, ändert sich diese Wechselspannung als Funktion der Zeit im wesentlichen entsprechend der Kurve von Fig. 5, in welcher mit T die Periode und mit EM die maximale. elektromotorische Kraft bezeichnet wird. In diesem Fall ist der Meßwert dann der Effektivwert der vom Detektor gelieferten Wechselspannung; dieser Effektivwert ist der Stromdichte proportional und unabhängig von der Umgebungstemperatur. In bestimmten Fällen ist es durch entsprechende Führung der bei der Drehung des Verschlußbügels verdrängten Luft allein möglich, den Detektor oder den ihn enthaltenden Kolben ausreichend zu kühlen. Eine andere Lösung besteht darin, den Kolben durch einen Luftstrom zu kühlen, der von einem Lüfterrad geliefert wird, welches sich um die gleiche Achse wie der Flügel dreht und vom gleichen Motor angetrieben wird, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Der Detektor ist auf seinem Träger 10 in einem Kolben 22 der zuvor angegebenen Art untergebracht, der jedoch nicht mit Kühlflügeln versehen ist. Der Flügel 31 ist fest mit zwei Lüfterrädern 35, 35' verbunden, die an seinen beiden Seiten angeordnet sind, und die ganze Anordnung wird durch einen Motor in Drehung versetzt, von dem in der Zeichnung nur die Welle.36 dargestellt ist. Die von den Lüfterrädern 35,35' angesaugte Luft wird in einen ringförmigen Kanal 34 gedrückt, der den Kolben 22 des Detektors umgibt und dadurch dessen Fremdkühlung bewirkt. Die bestrahlte Seite des Detektors kann die Seite sein, auf der die Legierungen der Thermoelemente aufgetragen sind, aber es ist auch möglich, diese Aufträge sowie die absorbierenden Substanzen auf der gleichen Seite des Detektors anzubringen. Ferner kann auch eine andere Art von Verschluß zur abwechselnden Bestrahlung jeder Hälfte des Detektors beim Betrieb mit moduliertem Strahlungsstrom verwendet werden; beispielsweise dadurch, daß der ankommende Strahl mit Hilfe eines von einem Elektromotor öder einem Elektromagneten betätigten Schwingspiegels abwechselnd auf den einen und auf den anderen Bereich gelenkt wird. Die Thermoelemente können auch nach irgendeinem anderen Verfahren zum Aufbringen metallischer Überzüge in dünnen Schichten auf einem isolierenden Träger von anderer Beschaffenheit gebildet werden, und der Träger kann zur Kühlung durch Wärmeleitung auch dicker ausgeführt werden. · ; —. .. Patentansprüche:

1. Strahlungsdetektor für die Messung von Strahlungsdichte, insbesondere im Spektralbereich' vom sichtbaren Licht bis zum fernen Ultrarot, zur Erzeugung eines Signals, dessen Mittelwert der zu messenden Größe proportional ist, mit einer'

''_::y,-.TJieraosaule. aus Thermoelementen, deren Verbindungsstellen abwechselnd r und symmetrisch beiderseits einer Mittellinie in zwei Halbflächen , angeordnet sind, wobei die Thermoelemente aus auf eine frei tragende Isolierfolie aufgedampften oder aufgestäubten, sich" überlappenden, mäanderförmigen Metallschichten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Flächedes Detektors mit einer Schicht aus einem Werk- : stoff mit hohem Absorptionskoeffizienten über-

. zögen: ist und jede der Halbflächen beiderseits der

Mittellinie nach dem an sich bekannten^ Wechsel-'

; lichtverfahren mittels eines yefschlüsses oder

ν eines Umschalters gegenüber. der einfallenden Strahlung periodisch abdeckbar bzw. freilegbar ist, so daß der Detektor eine Wechselspannung liefert.

2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdeckung bzw.

Freilegung gegenüber der Strahlung ein durch einen Elektromagneten oder einen Elektromotor angetriebener Schwingspiegel dient.
_:.. 3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß durch einen Flügel gebildet ist, der um eine senkrecht zur, optischen. Achse der Anordnung liegende Achse in Umlauf versetzbar ist.

4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Verschluß zur Erzeugung eines Kühlluftstroms für den Detektor dient.

5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Kühlluftstroms ein Lüfter vorhanden ist, der mechanisch mit dem rotierenden Verschluß gekoppelt ist und in einen den Detektor umgebenden Kanal fördert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen